核電廠風冷機組和冷凍水循環泵供電可靠性研究

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(福建福清核電有限公司，福建　福清　350318)

1　電氣廠房冷凍水系統簡介

電氣廠房冷凍水系統(DEL)的功能是為電氣廠房內的主控制室空調系統(DVC)、電氣廠房主通風系統(DVL)和電纜層通風系統(DVE)的冷卻盤管提供8℃的冷凍水，回收冷卻盤管熱量，并經由冷水機組將這些熱量傳遞給設備冷卻水系統(RRI)。通過與DVC/DVE/DVL三個系統的聯合運行，使電氣廠房的各個房間溫度和濕度處于設計要求的范圍之內，從而保證了電氣廠房內設備的長期穩定運行。

DEL系統是一個封閉式的冷凍水回路，系統由2臺水冷式冷水機組(以下簡稱水冷機組)、1臺風冷機組和3臺冷凍水循環泵等組成。其中風冷機組和相應的冷凍水循環泵設置的目的是在H1工況(指核電機組喪失最終熱阱的事故工況)的情況下，獨立為主控室空調系統(DVC)提供冷凍水，用以確保主控室的DCS(集散式控制系統)設備的正常運行[1]。

2　風冷機組運行工況說明及存在的不足

風冷機組和冷凍水循環泵的運行時間段主要分為三個時間段：機組調試期間、機組正常運行期間以及H1工況期間。

在福清核電站1～4號機組調試期間，調試前期由于重要廠用水系統(SEC)和設備冷卻水系統(RRI)尚不滿足運行條件，DEL的兩臺水冷機組無法運行。為了保持DCS重要設備和電氣盤柜的安全穩定運行，采用臨時通風和臨時空調等方法為一些重要房間提供冷風；但在夏季階段，臨時設施不能滿足上述重要設備的運行要求，此時需要長期運行DEL風冷機組為DVC系統提供冷凍水，向主控制室和DCS重要設備房間持續輸送冷風，維持這些房間的溫濕度處于設計限值之內。

在機組正常運行期間，由于機組運行穩定，兩臺水冷機組(一用一備)已經足夠滿足機組運行要求，風冷機組作為DEL系統的最終備用機組，僅在執行定期試驗時運行。

在H1工況期間，由于熱阱全部喪失，兩臺水冷機組均無法運行。根據RCC-P(指法國壓水堆核電站核島系統設備設計和建造規則，1991版1995修訂)的第4.5.4.2節“喪失全部熱阱”節中要求，在全部喪失熱阱后維持機組處于安全狀態一個月，以恢復最終熱阱[2]。根據相關要求，在機組全部喪失熱阱期間，需要風冷機組持續穩定運行，單獨向DVC系統提供冷凍水，維持主控室和DCS重要設備房間溫濕度在限值之內，確保主控制室和DCS系統設備在事故情況下的正常運行，從而維持機組處于安全狀態。

然而經過深入分析發現，風冷機組及其相應的冷凍水循環泵存在以下不足：

1)在機組大修期間以及多種事故工況疊加(比如H1工況外加失去全部廠外電源的事故工況)情況下DEL風冷機組無法有效發揮其功能，甚至完全失去作用；

2)根據福清核電站1～4號機組調試經驗反饋，機組調試期間進行6.6kV母線試驗和停電檢修時，經常導致風冷機組不可用，電氣廠房只能依靠臨時空調維持DCS系統所在的少數房間的持續送冷風。

由于DEL系統是安全相關系統(DCS/DVC)的支持系統，對核電廠的運行安全有著重要的貢獻，因此，DEL系統的喪失是不可接受的。三哩島核事故告訴我們，設備和人因的累積失效是可能發生的，為了對付多種、無限事件帶來的困難，需提高系統和設備的固有安全性，提升系統和設備在各種事故下的應對能力。以此看來，風冷機組的安全可靠性具有一定的提升空間，也很有必要提高其安全可靠性。

3　風冷機組、冷凍水循環泵控制系統和供電模式分析

3.1　控制系統及供電模式說明

1臺風冷機組包含兩個模塊，每個模塊單元內包括了一個完整的制冷系統。風冷機組的控制系統由1臺觸摸屏電腦、1個系統控制器以及安裝在每個模塊單元冷水機組中的兩臺單元控制器組成，它們通過通訊電纜連接成一個完整的控制系統。每個單元控制器既可以在觸摸屏和系統控制器組成聯機系統中運行，也可以在必要時對模塊單元單獨控制運行。

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1臺風冷機組由兩路不同的380V電源供電，每個機組的風冷機組分別由LKD和LKE的380V母線供電(由M310機組的全廠供電關系可知，LKD的上游電源來自LGB 6.6kV母線，而LKE的上游電源來自LGC 6.6kV母線)。每個供電回路對應一個模塊單元，對該模塊單元的壓縮機、風機和單元控制器等設備供電。每個模塊單元的單元控制器供電由相應的供電回路通過一個變壓器轉換成低壓電源供電，而系統控制器和觸摸屏電腦的供電則是由兩個單元控制器的兩路低壓電源通過一個雙電源轉換裝置供電。風冷機組對應的冷凍水循環泵的上游電源來自LKE的380V母線。

控制系統的架構連接和風冷機組整機(包括控制系統)以及冷凍水循環泵供電模式簡圖如圖1所示。

圖1　控制系統的架構連接、控制系統和冷凍水循環泵的供電模式Fig.1　Power supply mode of control system and chilled water pump

3.2　供電模式問題分析

通過對風冷機組和冷凍水循環泵控制系統及供電模式分析，發現其供電模式存在兩個根本問題。

首先，上游電源安全可靠性不高。風機機組和冷凍水循環泵的上游電源來自LGB和LGC母線，屬于機組常備廠用設備，以福清核電站1、2號機組為例，機組正常運行工況下供電單線圖如圖2所示。在機組出現由應急柴油發電機供電的事故工況時，LGB和LGC母線失電，風冷機組完全失去供電電源。倘若此時發生喪失全部熱阱的疊加事故，水冷機組也將失去作用。屆時，整個電氣廠房失去冷凍水，主控制室以及DCS機柜間溫度持續上升，DCS重要設備的安全性受到嚴重威脅，影響核電機組在事故工況下對重要應急設備的控制功能，從而進一步擴大事故范圍。

圖2　機組正常運行工況下供電單線圖Fig.2　Power supply diagram of unit in normal operating condition

其次，冷凍水循環泵的供電電源單一。由于風冷機組由LKD和LKE兩路電源供電，系統控制器設置了雙電源供電轉換裝置，因此風冷機組可在任一列電源失電的情況下仍能保持50%功率輸出。但是，冷凍水循環泵僅由LKE供電，如果該機組的LKE或者上游LGC母線電源喪失，冷凍水循環泵將無法運行，即使風冷機組仍然保持一列供電，由于冷凍水無法循環流動，風冷機組也將無法運行，DEL系統將喪失風冷機組功能，風冷機組的雙電源供電的優勢無法發揮。

供電電源單一會帶來以下問題。在機組大修期間，系列A或者系列B的配電盤檢修時，雖然設計有LRT大修再供電系統為大修期間需要投入使用的設備供電，但是再供電設備范圍不包括DEL系統相關設備[3]，如果LKE/LGC所在的系列檢修時，DEL系統的1列水冷機組和風冷機組不可用，此時僅有一列水冷機組能夠運行，若運行的水冷機組故障，整個DEL系統將可不用。而在機組調試期間，根據福清核電調試經驗，由于重要廠用水系統和設備冷卻水系統的安裝調試進度滯后，DEL水冷機組無法運行，常需要風冷機組長期運行，以提供一個良好的調試工作環境和設備運行環境。但是在盤柜檢修以及電源試驗期間， LKE/LGC失電時， DEL風冷機組不可用，此時為了保證DCS設備工作環境，常采用臨時空調為DCS設備間送冷風，這種方式費時費力，而且效果不理想，在福清核電現場炎熱的夏季期間，臨時空調無法滿足DCS設備持續運行要求。

4　供電模式改進分析

為了保證DEL風冷機組在多種工況下的運行可靠性，經過分析，可將風冷機組和冷凍水循環泵的上游電源設置在安全性和穩定性較高的母線上，以提高其供電的可靠性。通過對M310機組全廠供電關系的分析(以福清核電站1、2號機組為例)，現提出以下改進方案，詳見表1。改進后的供電模式如圖3所示。同時，通過改進方案的優勢和可行性對其進行深入分析。

表1　改進方案列表Table 1　Improvement project

圖3　改進后供電模式簡圖Fig.3　Power supply diagram after improvement

4.1　改進方案優勢

2)充分發揮雙電源供電優勢。改進方案為風冷機組的冷凍水循環泵設置了雙電源供電切換裝置，使得整個風冷機組具備雙電源供電，能夠應對多種失電事故工況。

3)操作便捷，快速響應。由于每個機組均設置了LHA/LHB系統，其下游380V配電盤柜集中設置在電氣廠房內，風冷機組的兩路電源以及雙電源切換裝置的兩路電源均可單獨設置在每個機組的電氣廠房內，與水冷機組的供電盤柜布置在一起，使得整個DEL系統的供電盤柜布置集中，操作便捷，在緊急情況下能夠快速響應。

4.2　改進可行性分析

4.2.1電纜敷設可行性

風冷機組和冷凍水循環泵現有的供電電源與LHA/LHB下游的380V交流應急電源均是布置在電氣廠房的同一層相鄰房間內。因此，可以利用現有的電纜敷設路徑，僅需進行細微的修改即可完成改進方案的電纜敷設。對于冷凍水循環泵雙電源改進的電纜敷設問題，則可沿著原有的電纜路徑增加敷設一條電纜，在泵的附近安裝雙電源供電切換裝置(根據現場查看，福清核電冷凍水循環泵所在房間具備安裝雙電源供電切換裝置的條件)。

4.2.2電源裕量分析

首先是電源盤柜的布置問題。每個380V交流應急電源系統上均會設置足夠數量和足夠容量的備用盤柜，以備電源改造之需，比如福清核電LLA電源系統設計帶負載總功率為987kW，下游負荷實際總功率為766kW，同時設置了4個備用抽屜，而風冷機組一列電源的功率為102kW，冷凍水循環泵的功率為15kW，由此來看，應急電源系統完全能夠滿足改造需求。其次是改進后的應急柴油發電機負載問題。將電源設置在應急電源母線上，表面上看來是增加了應急柴油發電機的負載。但是，由于水冷機組上游電源也是設置在應急電源母線上，而在柴油發電機運行的事故工況下，兩種冷凍機組并不會同時運行，因此，改進方案實際上并不會增加應急柴油發電機的負載。

4.2.3改進實施窗口

對于新建機組，可在機組設計階段即對風冷機組和冷凍水循環泵上游電源進行設計改進，后續機組安裝時即可實施；對于調試階段的機組，因調試階段的停電窗口較多，可通過調試變更的方式選擇合適的窗口實施改造；對于運行機組，則可以選擇機組大修期間電源母線檢修等窗口實施改造。

綜上所述，此改進方案具有較多的優勢，而且實施可行性高。

5　結論

通過上述的深入探討分析，同時參考方家山主泵相關設備電源安全性改進的經驗反饋[5]，結合改進方案的優勢和可行性，改進后的供電可靠性考慮，可將DEL風冷機組兩路電源分別設置在LHA/LHB下游380V交流應急電源系統上，以及為冷凍水循環泵設置雙電源供電切換裝置，切換裝置的兩路電源也分別設置在LHA/LHB下游380V交流應急電源系統上，以提高其供電可靠性，進一步提升風冷機組的安全可靠性，最終使得DEL系統能夠在多種不同工況期間能夠更好地執行其設計功能。此改進方案可供后續類似機組系統的設計優化改進作參考。